KR20240071300A - Real-time bladder sensing system through bio-implantable sensor element - Google Patents
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Abstract
생체 삽입형 센서 소자를 통한 실시간 방광 센싱 시스템으로, 방광에 부착된 센서부; 및 상기 센서로부터 수신된 신호를 분석하는 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템이 제공된다. A real-time bladder sensing system using a bio-implantable sensor element, comprising: a sensor attached to the bladder; And a real-time bladder sensing system is provided, comprising an analysis unit that analyzes the signal received from the sensor.
Description
본 발명은 생체 삽입형 센서 소자를 통한 실시간 방광 센싱 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생체친화성 소자를 이용한 방광의 생리현상을 실시간으로 모니터링할 수 있는 생체 삽입형 센서 소자를 통한 실시간 방광 센싱 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a real-time bladder sensing system using a bio-implantable sensor element, and more specifically, to a real-time bladder sensing system using a bio-implantable sensor element that can monitor bladder physiological phenomena in real time using a biocompatible element. will be.
인간의 비뇨기 방광은 골반 강의 전면 부분에 위치한, 소변 저장기로 기능하는 근층막성(musculomembranous) 주머니로서, 수뇨관을 통하여 소변을 받아들이고, 그리고 요도를 통하여 배설한다. 인간에서, 방광은 골반 뼈 뒤골반(치골 결합부(pubic symphysis))에 있으며 그리고 신체의 외부로 빠져나가는 요도라고 불리는 배약관이 상위 후부에 연결되어 있다. 비뇨기 방광은 환자에서 비뇨기 방광을 악화시키는 원인이 되는 다양한 병과 손상을받게 된다. 예를 들면, 방광 악화는 감염성 질환들, 신생물 그리고 발달성 기형으로 인한 것일 수 있다.The human urinary bladder is a musculomembranous sac located in the anterior portion of the pelvic cavity that functions as a urine reservoir, receives urine through the ureters, and excretes it through the urethra. In humans, the bladder is located behind the pelvic bone (pubic symphysis) and is connected to the upper posterior end by a draining tube called the urethra that drains outside the body. The urinary bladder is subject to various diseases and injuries that cause the urinary bladder to deteriorate in patients. For example, bladder exacerbations may be due to infectious diseases, neoplasms, and developmental abnormalities.
따라서, 이러한 방광 질환 치료 및 예방을 위한 실시간 모니터링 기술의 개발은 필요하다. Therefore, the development of real-time monitoring technology for treating and preventing these bladder diseases is necessary.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실시간 방광 센싱 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a real-time bladder sensing system and method.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 생체 삽입형 센서 소자를 통한 실시간 방광 센싱 시스템으로, 방광에 부착된 센서부; 및 상기 센서로부터 수신된 신호를 분석하는 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a real-time bladder sensing system using a bio-implantable sensor element, which includes a sensor unit attached to the bladder; and an analysis unit that analyzes the signal received from the sensor.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 센서부는 EMG 및 스테레인을 동시에 센싱할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the sensor unit can simultaneously sense EMG and stainless steel.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 센서부는 폴리아크릴아마이드을 포함하는 하이드로겔 기판 상에 형성되며, 상기 하이드로겔 기판을 통하여 방광에 부착된다. In one embodiment of the present invention, the sensor unit is formed on a hydrogel substrate containing polyacrylamide and is attached to the bladder through the hydrogel substrate.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 분석부는, 상기 스트레인 센싱 신호로부터 피크 신호를 필터링한 후, 이로부터 배뇨시간을 예측한다. In one embodiment of the present invention, the analysis unit filters the peak signal from the strain sensing signal and then predicts urination time therefrom.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 분석부는, 상기 EMG 센싱 신호의 평균 제곱근 편차 (Root-mean-square deviation)를 계산한 후, 배뇨시점을 판단하여 배뇨횟수의 변화를 추적해 과민성 방광 여부를 예측한다. In one embodiment of the present invention, the analysis unit calculates the root-mean-square deviation of the EMG sensing signal, determines the timing of urination, tracks the change in the number of urinations, and predicts overactive bladder. do.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 분석부는, 2 x (평균 EMG RMS) 이상의 값을 갖는 EMG RMS 신호 지점을 배뇨시점으로 판단한다. In one embodiment of the present invention, the analysis unit determines an EMG RMS signal point having a value of 2 x (average EMG RMS) or more as the point of urination.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 분석부는 상기 EMG 및 스테레인 신호를 수신하여, 이를 통합하여 방광의 생리현상을 예측한다. In one embodiment of the present invention, the analysis unit receives the EMG and strain signals and integrates them to predict bladder physiology.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 방광의 생리현상은 배뇨시점과, 과민성 방광여부이다. In one embodiment of the present invention, the physiological phenomenon of the bladder is the timing of urination and whether there is an overactive bladder.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 EMG 센서는 방사형 아일랜드 기판상에 형성된 3개의 전극을 포함하며, 상기 방사형 아일랜드 기판은 상기 하이드로겔 기판 상에 접합된 것이다. In one embodiment of the present invention, the EMG sensor includes three electrodes formed on a radial island substrate, where the radial island substrate is bonded to the hydrogel substrate.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 센서부 상에는 팽윤 방지 코팅층이 형성된 것이다. In one embodiment of the present invention, an anti-swelling coating layer is formed on the sensor unit.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 팽윤 방지 코팅층은 아크릴게이트계 물질을 포함하며, 상기 실시간 방광 센싱 시스템은 인체 내 방광 대비 낮은 모듈러스를 갖는다. In one embodiment of the present invention, the anti-swelling coating layer includes an acrylic gate-based material, and the real-time bladder sensing system has a lower modulus compared to the bladder in the human body.
본 발명은 또한 상술한 방광 센싱 시시템용 센서를 제공하며, 상기 센서는 하이드로겔 기반 접착제를 통하여 상기 방광에 접착되는 것이다. The present invention also provides a sensor for the bladder sensing system described above, wherein the sensor is attached to the bladder through a hydrogel-based adhesive.
본 발명에 따르면, 생체 친화적인 재료들을 이용하여 방광의 생리를 정확하게 모니터링할 수 있는 생체 친화적이면서도 점착 특성을 지닌 센서 시스템이 제공된다. 본 발명에 따른 센서 시스템은 생체 친화성이 우수하면서 부드러운 소재들로 구성되어 체내에 삽입되어도 부작용을 최소화할 수 있는 소재들을 사용하며, 반응 속도와 이력현상을 최소화하면서 기계적 자극이 주어질 경우에도 신뢰성 있게 동작할 수 있다. According to the present invention, a sensor system that is biocompatible and has adhesive properties is provided that can accurately monitor bladder physiology using biocompatible materials. The sensor system according to the present invention is composed of soft materials with excellent biocompatibility and uses materials that can minimize side effects even when inserted into the body. It minimizes reaction speed and hysteresis and provides reliability even when mechanical stimulation is applied. It can work.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법을 설명한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 센서가 방광에 부착된 후의 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 센싱 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 센싱 시스템과, 센싱방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 팽윤 방지 코팅(Anti-swelling coating)이 있는 경우와 없는 경우 PBS에서의 상대적인 부피 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 팽윤 방지 코팅이 있거나 없는 경우의 PAAm의 변형-응력 곡선이다.
도 7은 동일 기판(PAAm)에 종래의 실리콘 러버(Ecoflex-0020를 접착제로 사용한 경우와, 하이드로겔 기반 접착제를 사용한 경우의 접착력 그래프이다.
도 8은 HEK293 세포를 이용하여 하이드로겔 기판 상에 형성된 스트레인 센서 및 EMG 센서 소재들의 체외 세포독성을 테스트한 결과이다.
도 9는 쥐 모델을 이용한 방광의 수축 및 팽창 In-vivo protocol 이미지이고, 도 10은 쥐 방광에 고무 관을 연결함으로써 액체를 주입 및 배출을 통하여 반복적인 배뇨과정을 유도하여 방광에 부착된 스트레인 센서 및 EMG 센서의 센싱 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 센서 시스템의 EMG 센서에 백금 블랙(Platinum black (PtB))를 코팅하여 센서의 전체 단면적을 증가시킴으로써 기존 EMG 센서와 비교하였을 때 신호대 잡음(Signal to Noise ratio, SNR)을 개선시킨 결과이다.
도 12는 정상 방광 구간, 방광 팽창 구간 비교시 방광 팽창 구간에서 더 높은 EMG 활동도(activation)를 보이는 것을 나타내는 결과이다.
도 13은 과민성 방광 유도 약물 주입 전 (정상 상태), 주입 후 (과민성 방광 유도 상태) 구간에서 배뇨량과 배뇨시점을 추적한 결과이다.
도 14는 도 13의 결과를 정상 구간, 과민성 방광 유도 구간에서 1회 배뇨량, 배뇨간 시간을 비교 분석한 결과이다.
도 15는 민성 방광 유도 구간에서 생리학적 지표 (배뇨량, 방광내압)을 추적한 결과이다.
도 16은 과민성 방광 유도 구간에서 인장 센서와 EMG 센서의 측정 결과이다.
도 17은 배뇨시점 근처의 데이터를 추출하여 배뇨시점 기준으로 평균을 취한 결과이다.
도 18은 도 17의 결과를 정량적으로 분석한 결과이다.
도 19는 최소침습형 복강경 로봇 이식 수술기구를 이용하여 본 연구진이 개발한 하이드로겔 기반의 삽입형 센서를 이식하는 수술 protocol 이미지이다.
도 20은 실제 돼지를 이용한 최소침습형 복강경 로봇 이식 수술 과정 이미지이고, 도 21은 복강경 로봇 이식 수술을 이용하여 본 연구진이 개발한 하이드로겔 기반의 삽입형 센서가 돼지 방광에 이식 및 부착되는 수술 과정을 보여주는 이미지, 도 22는 돼지의 반복적인 배뇨과정을 보여주는 이미지 및 배뇨과정에서 센싱 되는 스트레인 센서 및 EMG 센서 결과가 실제 돼지의 배뇨과정을 반영해주는 결과이다. 1 is a schematic diagram explaining a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph after the sensor manufactured according to the present invention is attached to the bladder.
Figure 3 is a block diagram of a sensing system according to the present invention.
Figure 4 is a diagram illustrating a sensing system and a sensing method manufactured according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the relative volume change in PBS with and without an anti-swelling coating.
Figure 6 is strain-stress curves of PAAm with and without anti-swelling coating.
Figure 7 is a graph of adhesion when a conventional silicone rubber (Ecoflex-0020) is used as an adhesive on the same substrate (PAAm) and when a hydrogel-based adhesive is used.
Figure 8 shows the results of testing the in vitro cytotoxicity of strain sensor and EMG sensor materials formed on a hydrogel substrate using HEK293 cells.
Figure 9 is an in-vivo protocol image of bladder contraction and expansion using a rat model, and Figure 10 shows a strain sensor attached to the bladder by connecting a rubber tube to the rat bladder to induce a repetitive urination process through injection and discharge of liquid. and the sensing result of the EMG sensor.
Figure 11 shows the signal-to-noise ratio (SNR) compared to the existing EMG sensor by coating the EMG sensor of the sensor system according to the present invention with platinum black (PtB) to increase the overall cross-sectional area of the sensor. This is the result of improvement.
Figure 12 shows results showing higher EMG activity in the bladder distension section when comparing the normal bladder section and the bladder distension section.
Figure 13 shows the results of tracking the amount of urination and timing of urination before (normal state) and after (overactive bladder inducing drug) injection (overactive bladder inducing drug).
Figure 14 shows the results of comparing and analyzing the results of Figure 13 in terms of the amount of urination per time and the time between urinations in the normal section and the overactive bladder induction section.
Figure 15 shows the results of tracking physiological indicators (urination volume, intravesical pressure) in the sensitive bladder induction section.
Figure 16 shows the measurement results of the tension sensor and EMG sensor in the overactive bladder induction section.
Figure 17 shows the results of extracting data near the time of urination and taking the average based on the time of urination.
Figure 18 shows the results of quantitative analysis of the results of Figure 17.
Figure 19 is an image of the surgical protocol for implanting the hydrogel-based implantable sensor developed by our research team using a minimally invasive laparoscopic robotic implant surgical instrument.
Figure 20 is an image of the minimally invasive laparoscopic robot implantation surgery process using an actual pig, and Figure 21 shows the surgical process in which the hydrogel-based implantable sensor developed by our research team is implanted and attached to the pig bladder using laparoscopic robot implantation surgery. The image shown, Figure 22, is an image showing the pig's repetitive urination process and the results of the strain sensor and EMG sensor sensed during the urination process reflect the actual pig's urination process.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.Before explaining the present invention in detail, the terms or words used in this specification should not be construed as unconditionally limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor of the present invention should not use the terms and conditions to explain his invention in the best way. The concepts of various terms can be appropriately defined and used.
더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Furthermore, it should be noted that these terms and words should be interpreted with meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.That is, the terms used in this specification are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not used with the intention of specifically limiting the content of the present invention.
이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.It should be noted that these terms are defined in consideration of various possibilities of the present invention.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Additionally, in this specification, singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates a different meaning.
또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.Additionally, it should be noted that even if similarly expressed in plural, it may have a singular meaning.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.Throughout this specification, when a component is described as “including” another component, it does not exclude any other component, but includes any other component, unless specifically stated to the contrary. It could mean that you can do it.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.Furthermore, when a component is described as being “installed within or connected to” another component, this component may be installed in direct connection or contact with the other component.
또한, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있다.In addition, they may be installed at a certain distance, and in the case where they are installed at a certain distance, there may be a third component or means for fixing or connecting the component to another component. .
한편, 상기 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.Meanwhile, it should be noted that the description of the third component or means may be omitted.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.On the other hand, when a component is described as being “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that no third component or means is present.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.Likewise, other expressions that describe the relationship between each component, such as "between" and "immediately between", or "neighboring" and "directly neighboring", have the same meaning. It should be interpreted as
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용된다.In addition, in this specification, terms such as "one side", "other side", "one side", "the other side", "first", "second", etc. refer to one component with respect to another component. It is used to clearly distinguish from elements.
하지만, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.However, it should be noted that the meaning of the corresponding component is not limited by such a term.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 한다.In addition, in this specification, terms related to position such as “top”, “bottom”, “left”, “right”, etc., if used, should be understood as indicating the relative position of the corresponding component in the corresponding drawing.
또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니 된다.Additionally, unless the absolute location is specified, these location-related terms should not be understood as referring to the absolute location.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.Moreover, in the specification of the present invention, terms such as “… unit”, “… unit”, “module”, “device”, etc., when used, mean a unit capable of processing one or more functions or operations.
이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.It should be noted that this can be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.In the drawings attached to this specification, the size, position, connection relationship, etc. of each component constituting the present invention is exaggerated, reduced, or omitted in order to convey the idea of the present invention sufficiently clearly or for convenience of explanation. It may be described, and therefore its proportions or scale may not be exact.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다. In addition, hereinafter, in describing the present invention, detailed descriptions of configurations that are judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, for example, known technologies including prior art, may be omitted.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 생체 친화성 및 접착 특성을 지니는 하이드로겔에 기계적인 특성 및 전기적인 특성을 평가할 수 있는 센서를 집적화함으로써 난치성 방광 모델의 생리적 현상을 분석할 수 있는 방법과 시스템을 제공한다. In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method for analyzing the physiological phenomenon of an intractable bladder model by integrating a sensor capable of evaluating mechanical and electrical properties in a hydrogel with biocompatibility and adhesive properties, and Provides a system.
선행기술인 비특허문헌 1에서 보고되었던 방광의 생리적 현상을 분석 및 제어하는 생체 삽입 센서로 사용된 소재는 실리콘 기반의 소재(Silicone rubber)이다. 이러한 소재는 표면이 소수성 특성을 지니며 기계적인 물성 (Young's modulus: 수 MPa ~ 수 GPa)이 생체 장기 (수 Pa ~ 수 KPa)와의 차이가 크고 생체 장기 표면에 부착할 수 있는 작용기가 없어 접착 특성이 좋지 않은 단점이 있다. 따라서, 단점으로 인해 생리적 현상을 분석할 수 있는 생체 삽입 센서를 장기 표면에 접착하기 위해서 부가적인 고정 시스템이 필요로 하다. The material used as a bioimplantable sensor to analyze and control the physiological phenomenon of the bladder, which was reported in Non-Patent Document 1, a prior art, is a silicone-based material (silicone rubber). These materials have a hydrophobic surface, and their mechanical properties (Young's modulus: several MPa ~ several GPa) are very different from those of living organs (a few Pa ~ several KPa), and have no functional groups that can attach to the surface of living organs, so they have adhesive properties. This has a bad drawback. Therefore, due to the disadvantage, an additional fixation system is required to attach the bio-implantable sensor, which can analyze physiological phenomena, to the surface of the organ.
문제는 이러한 고정 시스템을 사용하는 경우, 생체 표면에 쉽게 박리되어 공기층이 형성됨으로써 센서 신호의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 있으며, 다양한 장기에 사용하기 위해서 고정대를 새로이 디자인해야하는 단점이 있다. The problem is that when using such a fixation system, it is easily peeled off from the biological surface and an air layer is formed, which reduces the reliability of the sensor signal, and has the disadvantage of requiring a new design of the fixation base for use in various organs.
따라서,본 발명의 일 실시예에서는, 난치성 질병을 가지는 방광의 생리현상을 실시간으로 모니터링할 수 있는 생체친화성 센서를 개발하기 위해, 방광의 조직과 유사한 기계적인 물성 (Young's modulus: ~300kPa)를 가지는 폴리아크릴아마이드 기반의 하이드로겔 소재를 기판 소재로 사용하였다. 본 발명의 일 실시예에서 사용된 폴리아크릴아마이드는 물의 함유랑이 80~90% 이상으로 되어 있으며 다양한 생체 조직과 화학적으로 결합할 수 있는 Amine-group이 존재하여 보편적으로 많이 사용되는 실리콘(silicone rubber)기반의 소재에 비해 조직과의 접착 특성이 우수하다.Therefore, in one embodiment of the present invention, in order to develop a biocompatible sensor that can monitor the physiological phenomenon of the bladder with incurable diseases in real time, mechanical properties (Young's modulus: ~300kPa) similar to those of bladder tissue were used. For eggplant, a polyacrylamide-based hydrogel material was used as a substrate material. Polyacrylamide used in one embodiment of the present invention contains more than 80 to 90% water and is a commonly used silicone rubber due to the presence of an amine-group that can chemically bond with various biological tissues. Compared to the base material, it has excellent adhesive properties with tissues.
또한 이러한 하이드로겔 소재 기판 상의 센서로 2 종류의 센서를 동시에 하였다. 즉, 본 발명에 따른 센서는 수축과 이완을 측정하는 스트레인 센서와, 배뇨근 수출을 일으키는 신경신호의 생체전기를 측정하는 EMG 센서를 포함한다. 따라서, 하나의 센서는 방광조직에 안정적으로 접착하여 방광에서의 스트레인과 EMG 신호를 모두 측정가능하며, 이로써 보다 포괄적이고 정확한 배뇨 감지를 위한 신경 활동을 모니터링할 수 있다. Additionally, two types of sensors were used simultaneously on this hydrogel material substrate. That is, the sensor according to the present invention includes a strain sensor that measures contraction and relaxation, and an EMG sensor that measures the bioelectricity of the nerve signal that causes detrusor muscle export. Therefore, a single sensor can measure both strain and EMG signals from the bladder by stably attaching to bladder tissue, thereby monitoring neural activity for more comprehensive and accurate urination detection.
이하 실시예를 통하여 본 발명은 보다 상세히 설명한다. The present invention will be described in more detail through the following examples.
실시예 Example
폴리아크릴아미드(PAAm) 기판 제작Polyacrylamide (PAAm) substrate production
PAAm 기판을 위한 재료 준비는 4.8g의 아크릴아미드(PAAm, SigmaAldrich), 경화제인 0.0038g의 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(MBA, Sigma-Aldrich) 및 광개시제인 0.06g의 2-Hydroxy-4'- (2-하이드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논)(Irgacure-2959 분말, Sigma-Aldrich)를 초음파(UCP-10, JEIO TECH, 40Hz)로 희석된 물 10mL에서 합성하였다. 합성된 상태의 100μL PAAm 용액을 캐리어 기판(다이싱된 Si 웨이퍼, 10mm x 15mm)에 드롭 캐스팅하고, 그 후, 코팅된 PAAm 용액을 자외선(UV)으로 1분 동안 경화시켰다. Material preparation for the PAAm substrate consisted of 4.8 g of acrylamide (PAAm, Sigma-Aldrich), 0.0038 g of N,N'-methylenebisacrylamide (MBA, Sigma-Aldrich) as a curing agent, and 0.06 g of 2-Hydroxy-4 as a photoinitiator. '-(2-Hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone) (Irgacure-2959 powder, Sigma-Aldrich) was synthesized in 10 mL of diluted water by ultrasound (UCP-10, JEIO TECH, 40 Hz). 100 μL of the as-synthesized PAAm solution was drop-cast on a carrier substrate (diced Si wafer, 10 mm x 15 mm), and then the coated PAAm solution was cured with ultraviolet (UV) light for 1 minute.
EGaIn (공융 갈륨 / 인듐 액체 금속) 합성EGaIn (eutectic gallium/indium liquid metal) synthesis
EGaIn 잉크는 0.3mL의 벌크 공융 갈륨 인듐 합금(EGaIn(LM), Rich-Metals)과 희석된 아세트산(3mL 희석된 물에 3vol%)을 바이알에 혼합 후, 500W 및 20kHz에서 10분 동안 팁 초음파 처리(VC 505, Sonics & Materials, 3mm 마이크로팁)하여 합성하였다. EGaIn ink was prepared by mixing 0.3 mL of bulk eutectic gallium indium alloy (EGaIn(LM), Rich-Metals) and diluted acetic acid (3 vol% in 3 mL diluted water) in a vial, then sonicating the tip for 10 min at 500 W and 20 kHz. (VC 505, Sonics & Materials, 3mm microtip).
PAAm 기판상에 스트레인 센서인 EGaIn 인쇄Printing of strain sensor EGaIn on PAAm substrate
PAAm 기판에 EGaIn을 인쇄하기 위해 노즐 프린터(BIO X6, CELLINK)를 PAAm 기판의 메니스커스 가이드 코팅에 사용하였다. 준비된 EGaIn 잉크를 다이렉트 노즐 인쇄에 사용되는 주사기에 넣고 프린팅 베드를 60℃로 가열하였다. 노즐의 팁 직경과 인쇄 속도는 각각 200μm 및 6.4mm/s이었으며, PAAm 기판에 EGaIn을 코팅한 후, EGaIn으로 만든 전기 패드에 이방성 전도성 필름을 부착하고, 이 후 전기 패드 위에 PI 전도성 와이어를 연결하였다. 캡슐화 층으로서, PAAm 박막은 스트레인 센서 및 전기 패드 영역에 20μL PAAm 용액의 드롭 캐스팅을 통해 코팅되고, PAAm 기판 위에 팽윤방지층(anti-swelling layer)을 코팅하였는데 이는 이하 보다 상세히 설명된다. To print EGaIn on the PAAm substrate, a nozzle printer (BIO X6, CELLINK) was used to coat the meniscus guide on the PAAm substrate. The prepared EGaIn ink was put into a syringe used for direct nozzle printing, and the printing bed was heated to 60°C. The tip diameter and printing speed of the nozzle were 200 μm and 6.4 mm/s, respectively. After EGaIn was coated on the PAAm substrate, an anisotropic conductive film was attached to an electrical pad made of EGaIn, and a PI conductive wire was then connected to the electrical pad. . As an encapsulation layer, a PAAm thin film was coated on the strain sensor and electrical pad areas through drop casting of 20 μL PAAm solution, and an anti-swelling layer was coated on the PAAm substrate, which is described in more detail below.
팽윤 방지층 코팅Anti-swelling layer coating
PAAm 기판에 팽윤 방지층을 코팅하는 것은 유기 용액에 아크릴레이트 기반 물질과 자외선(UV) 광 반응성 프라이머를 혼합하는 공정을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 도데실 아크릴레이트(dodecyl acrylate) 유래 중합 단위의 물질을 사용하였으나, 스테아릴 아크릴레이트(stearyl acrylate) 유래 중합 단위 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 중합 단위를 포함할 수 있다. 즉, HMPP(2-hydroxy-2-methylpropiophenone)인 기능성 프라이머의 PAAm 기판으로의 확산을 위해 PAAm 기판을 준비된 프라이머 용액에 10분 동안 담근 후 에탄올과 희석수로 헹구었다. 그 후, PAAm 기판에 UV 광을 가하여 PAAm 기판에 얇은 팽윤 방지층을 형성하였다. 본 발명에 따른 팽윤방지층의 효과는 이하 보다 상세히 설명한다. Coating an anti-swelling layer on a PAAm substrate involves mixing an acrylate-based material and an ultraviolet (UV) light-reactive primer in an organic solution. In one embodiment of the present invention, a material having a polymerized unit derived from dodecyl acrylate was used, but any one polymerized unit selected from the group consisting of a polymerized unit derived from stearyl acrylate and a combination thereof was used. It can be included. That is, to diffuse the functional primer, which is HMPP (2-hydroxy-2-methylpropiophenone), onto the PAAm substrate, the PAAm substrate was soaked in the prepared primer solution for 10 minutes and then rinsed with ethanol and dilution water. Afterwards, UV light was applied to the PAAm substrate to form a thin anti-swelling layer on the PAAm substrate. The effect of the anti-swelling layer according to the present invention will be described in more detail below.
근전도(EMG) 센서 제작 Production of electromyography (EMG) sensor
기계적 힘을 센싱할 수 있는 근전도 센서 제작을 위해 폴리이미드 필름(PI, 두께: 50μm)에 CO2 레이저 절단기(CE6000-60, GRAPHTEC)를 사용하여 최대 출력 50W의 관람차 모양의 섬(islet)을 패터닝하였다(하기 도 1 참조). 주변 조건에서 최대 스캔 속도는 약 500mm/s 이었다. Ti/Au(10 nm / 200 nm)는 맞춤형 금속 자기 마스크가 있는 E-빔 증발기(SNTEK)를 사용하여 관람차 모양의 PI 아일랜드 기판에 증착되었다. 상기 관람차 모양의 섬 모양의 전극 상에 증착되는 전극은 상대(reference), 기록(recording) 및 접지(ground) 전극으로 구성되었으며 외부 연결을 위한 전기 패드 또한 포함된다. 이후 상대, 기록, 접지 전극에 플래티넘 블랙을 코팅하였으며. 이방성 전도성 필름을 전기 패드에 부착하고, 이어서, 3개의 전기 패드 각각에 PI 전도성 와이어를 연결하였다. 즉, 본 발명에 따른 방사형의 관람차 형상의 전극 센서는 우수한 수축성과 인장 특성을 갖는데, 이는 아래에서 보다 상세히 설명한다. To produce an electromyography sensor that can sense mechanical force, a Ferris wheel-shaped islet with a maximum output of 50W was patterned on polyimide film (PI, thickness: 50μm) using a CO2 laser cutter (CE6000-60, GRAPHTEC). (See Figure 1 below). The maximum scan speed under ambient conditions was approximately 500 mm/s. Ti/Au (10 nm/200 nm) was deposited on a Ferris wheel-shaped PI island substrate using an E-beam evaporator (SNTEK) with a custom metal magnetic mask. The electrode deposited on the Ferris wheel-shaped island-shaped electrode consists of reference, recording, and ground electrodes, and also includes an electric pad for external connection. Afterwards, platinum black was coated on the counter, recording, and ground electrodes. An anisotropic conductive film was attached to the electrical pad, and a PI conductive wire was then connected to each of the three electrical pads. That is, the radial Ferris wheel-shaped electrode sensor according to the present invention has excellent contractility and tensile properties, which will be described in more detail below.
하이드로겔 기판에 근전도(EMG 센서) 통합Integration of electromyography (EMG sensor) into hydrogel substrate
100 W에서 1분 동안 산소 플라즈마 처리로 상술한 대관람차 모양의 EMG 센서의 섬의 바닥면(전극이 없는 면)에 수산기기를 형성하였다. 이 후, 에탄올 내 10 vol% (2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone) (Irgacure-2959, Sigma-Aldrich) 용액의 화학 기상 증착(CVD)으로 진공 오븐(OV3- 30, JEIO TECH) 60℃에서 1시간 동안 진행한 후, CVD 후 PAAm 용액을 섬 표면에 도포하였다. 이후 UV 광을 5분 동안 적용한 후 섬 모양의 EMG 센서를 PAAm 기판에 부착하였다. Oxygen devices were formed on the bottom surface (side without electrodes) of the island of the above-described Ferris wheel-shaped EMG sensor by oxygen plasma treatment at 100 W for 1 minute. Afterwards, chemical vapor deposition (CVD) of a 10 vol% (2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone) (Irgacure-2959, Sigma-Aldrich) solution in ethanol was used in a vacuum oven (OV3-30). , JEIO TECH) After conducting CVD for 1 hour at 60°C, the PAAm solution was applied to the island surface. Afterwards, UV light was applied for 5 minutes and an island-shaped EMG sensor was attached to the PAAm substrate.
생체접착제 합성Bioadhesive synthesis
방광과의 원활한 상호 작용을 위해 아크릴아미드 4.8g, CaCl(Sigma-Aldrich) 0.712g, ammonium persulfate(AMPS, Sigma-Aldrich) 0.0248g 및 k-carrageenan(Sigma-Aldrich) 0.05g을 혼합하여 하이드로겔 기반 접착제를 제조하였다. For smooth interaction with the bladder, a hydrogel base was prepared by mixing 4.8 g of acrylamide, 0.712 g of CaCl (Sigma-Aldrich), 0.0248 g of ammonium persulfate (AMPS, Sigma-Aldrich), and 0.05 g of k-carrageenan (Sigma-Aldrich). An adhesive was prepared.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법을 설명한 모식도이다. 1 is a schematic diagram explaining a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 상술한 단계에 따라 복수개의 굴곡된 U자 굴곡부를 갖는 선형의 스트레인 센서와, 중심의 원형부로부터 방사형으로 아일랜드가 방사된 구조의 관람차 형상 폴리이미드 기판 상에 형성된 3개 전극으로 구성된 EMG 센서가 하이드로겔 기판(PAAm)상에 동시에 구현된 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서 관람차 모양의 아일랜드 EMG 센서(Sensor)는 방광의 배뇨과정에서 반복적인 수축과 팽창에 대한 센서의 기계적 안정성을 확보하기 위해 사용되었다.Referring to FIG. 1, according to the above-described steps, a linear strain sensor having a plurality of curved U-shaped bends and three electrodes formed on a Ferris wheel-shaped polyimide substrate with an island radiating radially from the central circular portion. It can be seen that the EMG sensor composed of was simultaneously implemented on the hydrogel substrate (PAAm). In the present invention, a Ferris wheel-shaped island EMG sensor (Sensor) was used to ensure the mechanical stability of the sensor against repetitive contraction and expansion of the bladder during urination.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 센서가 방광에 부착된 후의 사진이다. Figure 2 is a photograph after the sensor manufactured according to the present invention is attached to the bladder.
도 2를 참조하면, 관람차 모양의 아일랜드 EMG 센서(Sensor)와 복수 개의 굴곡부를 갖는 선 형태의 스트레인 센서(Sensor)가 하나의 하이드로겔 기판에 동시에 구현된 것을 알 수 있다. 관람차 모양의 아일랜드 EMG 센서(Sensor)는 방광의 배뇨과정에서 반복적인 수축과 팽창에 대한 센서의 기계적 안정성을 확보하기 위해 사용되었다. 또한 도 2의 아래 이미지는 EMG 센서의 이미지로, 복수 개의 방사형 구조가 돌출된 섬 모양의 폴리이미드 기판에 3개의 전극이 형성된 것을 확인할 수 있는 이미지이다. Referring to Figure 2, it can be seen that a Ferris wheel-shaped island EMG sensor (Sensor) and a line-shaped strain sensor (Sensor) having a plurality of curved parts are implemented simultaneously on one hydrogel substrate. The Ferris wheel-shaped island EMG sensor was used to ensure the mechanical stability of the sensor against repetitive contraction and expansion of the bladder during urination. Additionally, the image below in Figure 2 is an image of the EMG sensor, showing three electrodes formed on an island-shaped polyimide substrate with a plurality of protruding radial structures.
도 3은 본 발명에 따른 센싱 시스템의 블록도이다. Figure 3 is a block diagram of a sensing system according to the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 시스템은, 방광에 부착되는 도 2의 센서부(100); 및 상기 센서로부터 수신된 신호를 분석하는 분석부(200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템을 제공한다. Referring to FIG. 3, the sensing system according to an embodiment of the present invention includes the sensor unit 100 of FIG. 2 attached to the bladder; and an analysis unit 200 that analyzes the signal received from the sensor.
도 3의 분석부(200)의 동작을 보다 상세히 설명하면, 먼저 스트레인 센싱 신호로부터 피크 신호를 필터링한 후, 이로부터 배뇨시간(urination point)을 예측한다. 또한, 분석부(200)는, 상기 EMG 센싱 신호의 평균 제곱근 편차 (Root-mean-square deviation)를 계산한 후, 과민성 방광(overactive bladder) 여부를 예측할 수 있다. 따라서, 본 발명은 방광 부근이 아니라 방광 근육 자체에 부착될 수 있는 센서로부터 얻어지는 2 종류의 신호를 배뇨시간(urination point) 에측, 과민성 방광 분석 등에 활용할 수 있다. To describe the operation of the analysis unit 200 of FIG. 3 in more detail, first, the peak signal is filtered from the strain sensing signal, and then the urination time (urination point) is predicted from this. Additionally, the analysis unit 200 may calculate the root-mean-square deviation of the EMG sensing signal and then predict whether there is an overactive bladder. Therefore, in the present invention, two types of signals obtained from a sensor that can be attached to the bladder muscle itself rather than near the bladder can be used for predicting urination point, analyzing overactive bladder, etc.
실험예Experiment example
하이드로겔 기반 생체 삽입형 센서 난치성 방광 모델 분석 프로세스 분석Hydrogel-based bioimplantable sensor intractable bladder model analysis process analysis
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 센싱 시스템과, 센싱방법을 설명하는 도면이다. Figure 4 is a diagram illustrating a sensing system and a sensing method manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 센서는, 하이드로겔 기판상에서 방광에 부착되어 EMG와 스트레인을 동시에 센싱하며, 이를 통합하여 방광의 현상(배뇨시점 예측(Urination point estimation), 예민상 방광 예측(overreactive bladder estimation))을 실시간으로 분석할 수 있다.Referring to FIG. 4, the sensor manufactured according to an embodiment of the present invention is attached to the bladder on a hydrogel substrate and simultaneously senses EMG and strain, and integrates them to determine bladder phenomenon (urination point estimation). , overreactive bladder estimation can be analyzed in real time.
도 5는 팽윤 방지 코팅(Anti-swelling coating)이 있는 경우와 없는 경우 PBS에서의 상대적인 부피 변화를 나타내는 그래프이다. Figure 5 is a graph showing the relative volume change in PBS with and without an anti-swelling coating.
도 5를 참조하면, 팽윤 방지 코팅층이 없는 경우, 1주일 후 4배 가까운 중량 변화가 생긴 것을 알 수 있다. 하지만, 본 발명에 따라 팽윤 방지 코팅층이 있는 경우, 30일 경과에도 불구하고 거의 무시할 수준(~ 1.2배)의 부피변화가 있는 것을 알 수 있다. Referring to Figure 5, it can be seen that in the case where there is no anti-swelling coating layer, the weight changes nearly four times after one week. However, when there is an anti-swelling coating layer according to the present invention, it can be seen that there is an almost negligible change in volume (~ 1.2 times) even after 30 days.
도 6은 팽윤 방지 코팅이 있거나 없는 경우의 PAAm의 변형-응력 곡선이다. Figure 6 is strain-stress curves of PAAm with and without anti-swelling coating.
도 6을 참조하면, 팽윤 방지 코팅이 있더라도 기재의 Young 모듈러스는 방광의 모듈러스((~300 kPa)보다 여전히 매우 낮은 수준(0.8 내지1 kPa)을 유지하는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 결과는 본 발명에 따른 센서는 방광의 자연적인 움직임에 대하여 매우 낮은 물리적 영향을 준다는 것을 의미한다. 즉, 이 결과는 본 발명에 따라 생체 내에서 중량 변화를 방지하는 팽윤 방지층이 코팅되어도 기존의 PAAm의 기계적 물성이 크게 변하지 않는다는 것을 증명한다. Referring to Figure 6, it can be seen that even with the anti-swelling coating, the Young's modulus of the substrate is still maintained at a much lower level (0.8 to 1 kPa) than the modulus of the bladder ((~300 kPa). Therefore, this result is This means that the sensor according to the invention has a very low physical impact on the natural movement of the bladder, which means that the mechanical properties of conventional PAAm are improved even when coated with an anti-swelling layer that prevents weight change in vivo according to the invention. This proves that this does not change significantly.
도 7은 동일 기판(PAAm)에 종래의 실리콘 러버(Ecoflex-0020를 접착제로 사용한 경우와, 하이드로겔 기반 접착제를 사용한 경우의 접착력 그래프이다. Figure 7 is a graph of adhesion when a conventional silicone rubber (Ecoflex-0020) is used as an adhesive on the same substrate (PAAm) and when a hydrogel-based adhesive is used.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 PAAm 기판은 기존 실리콘 고무 기판(2.15 N/m)보다 더 높은 접착 강도(260.86 N/m)를 보였다. 즉, 보편적으로 많이 사용되고 있는 실리콘 러버 기반의 고무 소재는 접착제를 이용하여도 방광과 접착력이 좋지 않은 특성을 보인다. 이는, 실리콘 러버 기반의 고무 소재는 표면에 많은 메틸기를 포함하고 있어 -OH 그룹을 많이 함유하고 있는 접착력 소재와 방광의 표면과 접착을 이룰 수 있는 화학적인 작용기가 존재하지 않아 접착력이 접착력을 이용하지 않은 PAAm의 방광과의 접착강도보다 낮은 결과를 보인다. 하지만 본 발명에 따른 접착소재를 사용한 PAAm의 방광과의 접착강도가 수 백배 더 높은 결과를 보이며 이는 방광의 배뇨과정에서 수축 및 팽창과정에서 안정적인 접착을 유지할 수 있는 것을 보여주는 결과이다. Referring to Figure 7, the PAAm substrate according to the present invention showed higher adhesive strength (260.86 N/m) than the existing silicone rubber substrate (2.15 N/m). In other words, the widely used silicone rubber-based rubber material shows poor adhesion to the bladder even when adhesives are used. This is because silicone rubber-based rubber materials contain many methyl groups on the surface, so there is no chemical functional group that can form adhesion to the surface of the bladder and adhesive materials containing a lot of -OH groups, so the adhesion does not utilize adhesion. The result is lower than the adhesive strength with the bladder of untreated PAAm. However, the adhesive strength of PAAm with the bladder using the adhesive material according to the present invention is hundreds of times higher, which shows that stable adhesion can be maintained during the contraction and expansion of the bladder during urination.
하이드로겔 소재에 집적화된 센서의 In-vivo 특성 평가In-vivo characteristic evaluation of sensors integrated into hydrogel materials
본 발명은 하이드로겔 기반의 소재에 기계적인 특성 및 전기적인 특성을 평가할 수 있는 센서를 집적화 함으로써 난치성 모델을 가지는 방광의 생리현상을 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템의 구현이 가능하다. 또한, 방광 같은 인체 조직과의 우수한 접착제를 사용하므로, 최소침습형 복강경 로봇수술을 통하여 부가적인 봉합수술 없이 돼지의 방광에 삽입하여 안정적으로 접합시킬 수 있다. The present invention enables the implementation of a system that can monitor the physiological phenomenon of the bladder in real time with an intractable model by integrating a sensor capable of evaluating mechanical and electrical properties in a hydrogel-based material. In addition, because it uses an excellent adhesive for human tissues such as the bladder, it can be inserted into a pig's bladder and stably bonded without additional suture surgery through minimally invasive laparoscopic robotic surgery.
도 8은 HEK293 세포를 이용하여 하이드로겔 기판 상에 형성된 스트레인 센서 및 EMG 센서 소재들의 체외 세포독성을 테스트한 결과이다. Figure 8 shows the results of testing the in vitro cytotoxicity of strain sensor and EMG sensor materials formed on a hydrogel substrate using HEK293 cells.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 센서(USH-SI)는 대조군((Dulbecco Modified Eagle Medium , DMEM)에서 48-웰 플래터로 배양된 순수 HEK293 세포)와 비교 가능한 수준의 체외 세포 독성을 보였다. Referring to Figure 8, the sensor according to the present invention (USH-SI) showed a level of in vitro cytotoxicity comparable to that of the control group (pure HEK293 cells cultured in a 48-well platter in (Dulbecco Modified Eagle Medium, DMEM)).
도 9는 쥐 모델을 이용한 방광의 수축 및 팽창 In-vivo protocol 이미지이고, 도 10은 쥐 방광에 고무 관을 연결함으로써 액체를 주입 및 배출을 통하여 반복적인 배뇨과정을 유도하여 방광에 부착된 스트레인 센서 및 EMG 센서의 센싱 결과이다. Figure 9 is an in-vivo protocol image of bladder contraction and expansion using a rat model, and Figure 10 shows a strain sensor attached to the bladder by connecting a rubber tube to the rat bladder to induce a repetitive urination process through injection and discharge of liquid. and the sensing result of the EMG sensor.
도 9 및 10을 참조하면, 식엽수의 주입은 스트레인 센서의 저항을 증가시켰으며, 수축은 저항을 반대로 감소시킨 것을 알 수 있다. Referring to Figures 9 and 10, it can be seen that the injection of tree leaves increased the resistance of the strain sensor, and shrinkage decreased the resistance.
도 11은 본 발명에 따른 센서 시스템의 EMG 센서에 백금 블랙(Platinum black (PtB))를 코팅하여 센서의 전체 단면적을 증가시킴으로써 기존 EMG 센서와 비교하였을 때 신호대 잡음(Signal to Noise ratio, SNR)을 개선시킨 결과이다. 본 실험예에서는 평균 RMS 신호와 RMS 잡음의 비율을 이용하여 SNR을 계산하였다 (SNR(dB) = 10 log (PowerSignal / PowerNoise) = 20 log (AmplitudeSignal(RMS) / AmplitudeNoise(RMS)). Figure 11 shows the signal-to-noise ratio (SNR) compared to the existing EMG sensor by coating the EMG sensor of the sensor system according to the present invention with platinum black (PtB) to increase the overall cross-sectional area of the sensor. This is the result of improvement. In this experimental example, SNR was calculated using the ratio of the average RMS signal and RMS noise (SNR(dB) = 10 log (PowerSignal / PowerNoise) = 20 log (AmplitudeSignal(RMS) / AmplitudeNoise(RMS)).
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 백금 블랙(PTB)가 코팅된 EMG 센서는 PTB 코팅이 없는 경우보다 우수한 22.84dB의 SNR을 보여주었다. 이 결과는 PTB 코팅이 생체 내 조건에서 EMG 센서의 신호 대 잡음 비율을 증가시키는 데 유용하다는 것을 나타낸다.Referring to FIG. 11, the EMG sensor coated with platinum black (PTB) according to an embodiment of the present invention showed an SNR of 22.84 dB, which is superior to the case without PTB coating. These results indicate that PTB coating is useful for increasing the signal-to-noise ratio of EMG sensors under in vivo conditions.
도 12는 정상 방광 구간, 방광 팽창 구간 비교시 방광 팽창 구간에서 더 높은 EMG 활동도(activation)를 보이는 것을 나타내는 결과이다. Figure 12 shows results showing higher EMG activity in the bladder distension section when comparing the normal bladder section and the bladder distension section.
도 12를 참조하면, EMG RMS의 박스 플롯 분석 결과는 방광 상태에 따라 달라지는 것을 알 수 있으며, 왼쪽 상단에는 방광 용량에 따른 박스 플롯이 표시되고, 오른쪽 상단에는 다른 전이 상태에 따른 박스 플롯이 표시된다. Referring to Figure 12, it can be seen that the box plot analysis results of EMG RMS vary depending on the bladder state, with a box plot according to bladder capacity displayed in the upper left corner and a box plot according to different transition states displayed in the upper right corner. .
도 13은 과민성 방광 유도 약물 주입 전 (정상 상태), 주입 후 (과민성 방광 유도 상태) 구간에서 배뇨량과 배뇨시점을 추적한 결과이다. Figure 13 shows the results of tracking the amount of urination and timing of urination before (normal state) and after (overactive bladder inducing drug) injection (overactive bladder inducing drug).
도 14는 도 13의 결과를 정상 구간, 과민성 방광 유도 구간에서 1회 배뇨량, 배뇨간 시간을 비교 분석한 결과이다. Figure 14 shows the results of comparing and analyzing the results of Figure 13 in terms of the amount of urination per time and the time between urinations in the normal section and the overactive bladder induction section.
도 15는 민성 방광 유도 구간에서 생리학적 지표 (배뇨량, 방광내압)을 추적한 결과, 정확한 배뇨 시점을 세로 점선으로 표시하였다. Figure 15 shows the results of tracking physiological indicators (urination volume, intravesical pressure) in the sensitive bladder induction section, and the exact timing of urination is indicated by a vertical dotted line.
도 16은 과민성 방광 유도 구간에서 인장 센서와 EMG 센서의 측정 결과이다. Figure 16 shows the measurement results of the tension sensor and EMG sensor in the overactive bladder induction section.
도 16을 참조하면, 배뇨시점과 측정결과간의 연관관계가 있음을 알 수 있다. Referring to Figure 16, it can be seen that there is a correlation between the timing of urination and the measurement results.
도 17은 배뇨시점 근처의 데이터를 추출하여 배뇨시점 기준으로 평균을 취한 결과이다. Figure 17 shows the results of extracting data near the time of urination and taking the average based on the time of urination.
도 17을 참조하면, 배뇨시점 인근서 센서 측정 결과가 확연한 차이를 보이는 것을 알 수 있는데, 특히 배뇨시점 근처에서 더 높은 EMG 값을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 17, it can be seen that the sensor measurement results show a clear difference near the point of urination. In particular, a higher EMG value can be seen near the point of urination.
도 18은 도 17의 결과를 정량적으로 분석한 결과이다. Figure 18 shows the results of quantitative analysis of the results of Figure 17.
도 18을 참조하면, 배뇨시점 인근서 방광 내압과 인장센서 변화가 유의미한 상관관계를 보이며 (r = -0.8105), 배뇨시점 인근서 일반상태와 비교하여 확연하게 더 높은 EMG 활성도를 보이는 것을 알 수 있다. 특히 일반상태의 구간과 배뇨시점 +-10s 구간에서 EMG 신호들을 분석했을때 배뇨시점 구간에서 1.81배 더 높은 평균값을 가지는 것을 알 수 있으며, 이로써 바람직하게는 1.81, 가장 바람직하게는 2 x (평균 EMG RMS) 이상의 값을 갖는 EMG RMS 신호 지점을 배뇨시점으로 판단할 수 있다. Referring to Figure 18, it can be seen that there is a significant correlation between the bladder pressure and the change in the tension sensor near the point of urination (r = -0.8105), and that the EMG activity is clearly higher compared to the normal state near the point of urination. . In particular, when analyzing the EMG signals in the normal state section and the urination time +-10s section, it can be seen that the average value is 1.81 times higher in the urination time section, so preferably 1.81, most preferably 2 x (average EMG The point of the EMG RMS signal with a value greater than or equal to RMS) can be judged as the time of urination.
EMG activation 신호와 배뇨시점간의 관계를 성공적으로 분석하여, EMG 신호를 통해 배뇨시점을 판단하는 것이 가능해져 방광 센싱 시스템을 구축 가능하다. By successfully analyzing the relationship between the EMG activation signal and the timing of urination, it is possible to determine the timing of urination through the EMG signal, making it possible to build a bladder sensing system.
도 19는 최소침습형 복강경 로봇 이식 수술기구를 이용하여 본 연구진이 개발한 하이드로겔 기반의 삽입형 센서를 이식하는 수술 protocol 이미지이다. Figure 19 is an image of the surgical protocol for implanting the hydrogel-based implantable sensor developed by our research team using a minimally invasive laparoscopic robotic implant surgical instrument.
도 20은 실제 돼지를 이용한 최소침습형 복강경 로봇 이식 수술 과정 이미지이고, 도 21은 복강경 로봇 이식 수술을 이용하여 본 연구진이 개발한 하이드로겔 기반의 삽입형 센서가 돼지 방광에 이식 및 부착되는 수술 과정을 보여주는 이미지, 도 22는 돼지의 반복적인 배뇨과정을 보여주는 이미지 및 배뇨과정에서 센싱 되는 스트레인 센서 및 EMG 센서 결과가 실제 돼지의 배뇨과정을 반영해주는 결과이다. Figure 20 is an image of the minimally invasive laparoscopic robot implantation surgery process using an actual pig, and Figure 21 shows the surgical process in which the hydrogel-based implantable sensor developed by our research team is implanted and attached to the pig bladder using laparoscopic robot implantation surgery. The image shown, Figure 22, is an image showing the pig's repetitive urination process and the results of the strain sensor and EMG sensor sensed during the urination process reflect the actual pig's urination process.
도 19 내지 22를 참조하면, 본 발명에 따른 센서는 통상의 최소침습형 복강경 로봇을 이용하여 방광으로 효과적으로 이식하여 접합될 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 종래의 낮은 접착력을 갖는 실리콘 소재는 표면이 소수성 특성을 지니며 기계적인 물성 (Young's modulus: 수 MPa ~ 수 GPa)이 생체 장기 (수 Pa ~ 수 KPa)와의 차이가 크고 생체 장기 표면에 부착할 수 있는 작용기가 없어 접착 특성이 좋지 않은 단점이 있다. 이러한 단점으로 인해 생리적 현상을 분석할 수 있는 생체 삽입 센서를 장기 표면에 접착하기 위해서 부가적인 고정 시스템이 필요로 하다. 이러한 특성은 실시간으로 생리적 현상을 분석하는데 생체 표면에 쉽게 박리되어 공기층이 형성됨으로써 센서 신호의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 있으며, 다양한 장기에 사용하기 위해서 고정대를 새로이 디자인해야하는 단점이 었다. Referring to Figures 19 to 22, it can be seen that the sensor according to the present invention can be effectively implanted and joined to the bladder using a typical minimally invasive laparoscopic robot. In other words, the conventional silicone material with low adhesion has a hydrophobic surface and has a large difference in mechanical properties (Young's modulus: several MPa ~ several GPa) from living organs (several Pa ~ several KPa) and adheres to the surface of biological organs. It has the disadvantage of poor adhesive properties due to the lack of a functional group. Due to these shortcomings, an additional fixation system is required to attach bioimplantable sensors that can analyze physiological phenomena to the surface of organs. This characteristic has the problem of reducing the reliability of the sensor signal by easily peeling off the biological surface and forming an air layer in analyzing physiological phenomena in real time, and had the disadvantage of requiring a new design of the fixture for use in various organs.
하지만, 본 발명에 따른 높은 생체친화성 소재인 하이드로겔을 사용하여 부착된 센서는 높은 접착력과 생체친화성 특성 때문에 방광 ㅂ부근의 근육 대신 방광 표면 근육 (detrusor muscle) 자체에 부착되어 더 직접적으로 측정을 진행할 수 있다. However, the sensor attached using hydrogel, a highly biocompatible material according to the present invention, is attached to the bladder surface muscle (detrusor muscle) instead of the muscle near the bladder due to its high adhesion and biocompatibility characteristics, and can be measured more directly. You can proceed.
Claims (14)
방광에 부착된 센서부; 및
상기 센서로부터 수신된 신호를 분석하는 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템.A real-time bladder sensing system using a bio-implantable sensor element,
A sensor unit attached to the bladder; and
A real-time bladder sensing system comprising an analysis unit that analyzes the signal received from the sensor.
상기 센서부는 EMG 및 스테레인을 동시에 센싱할 수 있는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템.According to clause 1,
A real-time bladder sensing system wherein the sensor unit can simultaneously sense EMG and stainless steel.
상기 센서부는 폴리아크릴아마이드을 포함하는 하이드로겔 기판 상에 형성되며, 상기 하이드로겔 기판을 통하여 방광에 부착되는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템.According to clause 1,
The sensor unit is formed on a hydrogel substrate containing polyacrylamide and is attached to the bladder through the hydrogel substrate.
상기 분석부는, 상기 스트레인 센싱 신호로부터 피크 신호를 필터링한 후, 이로부터 배뇨시간을 예측하는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템.According to clause 1,
The analysis unit filters the peak signal from the strain sensing signal and then predicts urination time from this.
상기 분석부는, 상기 EMG 센싱 신호의 평균 제곱근 편차 (Root-mean-square deviation)를 계산한 후, 배뇨시점을 판단하여 배뇨횟수의 변화를 추적해 과민성 방광 여부를 예측하는 실시간 방광 센싱 시스템.According to clause 1,
The analysis unit calculates the root-mean-square deviation of the EMG sensing signal, determines the timing of urination, tracks changes in the number of urinations, and predicts overactive bladder. A real-time bladder sensing system.
상기 분석부는, 2 x (평균 EMG RMS) 이상의 값을 갖는 EMG RMS 신호 지점을 배뇨시점으로 판단하는 것을 특징으로 실시간 방광 센싱 시스템. According to clause 5,
The analysis unit determines an EMG RMS signal point with a value of 2 x (average EMG RMS) or more as the time of urination.
상기 분석부는 상기 EMG 및 스테레인 신호를 수신하여, 이를 통합하여 방광의 생리현상을 예측하는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템.According to clause 1,
The analysis unit is a real-time bladder sensing system characterized in that it receives the EMG and strain signals and integrates them to predict bladder physiological phenomena.
상기 방광의 생리현상은 배뇨시점과, 과민성 방광여부인 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템.According to clause 7,
A real-time bladder sensing system characterized in that the physiological phenomenon of the bladder is the timing of urination and whether or not there is an overactive bladder.
상기 EMG 센서는 방사형 아일랜드 기판상에 형성된 3개의 전극을 포함하며, 상기 방사형 아일랜드 기판은 상기 하이드로겔 기판 상에 접합된 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템. According to clause 3,
The EMG sensor includes three electrodes formed on a radial island substrate, and the radial island substrate is bonded to the hydrogel substrate.
상기 센서부 상에는 팽윤 방지 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템. According to clause 1,
A real-time bladder sensing system, characterized in that an anti-swelling coating layer is formed on the sensor unit.
상기 팽윤 방지 코팅층은 아크릴게이트계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템. According to clause 9,
A real-time bladder sensing system, wherein the anti-swelling coating layer includes an acrylic gate-based material.
상기 실시간 방광 센싱 시스템은 인체 내 방광 대비 낮은 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템. According to clause 10,
The real-time bladder sensing system is characterized in that it has a lower modulus compared to the bladder in the human body.
상기 센서는 하이드로겔 기반 접착제를 통하여 상기 방광에 접착되는 것을 특징으로 하는 실시간 방광 센싱 시스템용 센서. According to clause 13,
A sensor for a real-time bladder sensing system, characterized in that the sensor is attached to the bladder through a hydrogel-based adhesive.
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240071300A (en) |
-
2023
- 2023-07-24 KR KR1020230096402A patent/KR20240071300A/en unknown
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| (1). Expandable and Implantable Bioelectronic Complex for Analyzing and Regulating Realtime Activity of the Urinary Bladder 논문DOI: https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabc9675 (2020.11.11) |
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